基于表界面反应及优化的锂金属电池研究进展

doi:10.7503/cjcu20200508

摘要/Abstract

摘要：

金属锂具有高理论比容量和低还原电位, 是锂电池阳极的理想材料之一. 但在长期循环充放电过程中, 金属锂因锂枝晶生长会导致出现界面恶化及能量损失严重等问题, 对锂金属电极与电解质表界面反应的优化是一个重要研究方向. 本文介绍了锂枝晶产生的危害, 从分析及抑制锂枝晶沉积两方面综合评述了为解决这一问题所采取的方法, 包括固态电解质界面形成机制和保护机理、表面改性、三维锂阳极和液态/固态电解质等方法, 总结了各种方法的优劣势, 并展望锂金属电池在能源领域的研究前景.

关键词: 锂金属电池, 锂枝晶, 固态电解质界面, 电解质

Abstract:

Lithium（Li） metal has high theoretical specific capacity and low reduction potential， so it is one of the ideal materials for the anode of lithium batteries. During the long-term cycling， however， lithium metal has problems such as interface deterioration and serious energy loss due to lithium dendrites growing. The optimization of interface reaction between lithium metal electrodes and electrolytes is a significant research direction. In the paper， the hazards caused by lithium dendrites was outlined， as well as comprehensively reviewing methods adopted to solve this problem from analysis and inhibition of lithium dendritic deposition， including the formation and protection mechanisms of solid electrolyte interface， surface modification， three- dimensional lithium anode， liquid/solid electrolytes， etc. Besides， the advantages and disadvantages of methods above are summarized， and research prospects to lithium metal batteries is expected in the energy field simultaneously.

Key words: Lithium metal battery, Lithium dendrite, Solid electrolyte interface, Electrolyte

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Schematic illustration of LMBs

Fig.2 Schematic diagram of Li dendrites(A) The formation of Li dendrites in bare Li metal[21]; (B) the optical photos of Li dendrites in glass capillary cell[22]; the mechanism of diffusion-reaction competition to control Li deposition included diffusion mechanism(C1) with scanning electron microscope(SEM) images(C3, C4) and reaction mechanism(C2) with corresponding SEM images(C5, C6)[25].(A) Copyright 2020, American Chemical Society;(B) Copyright 2016, The Royal Society of Chemistry;(C) Copyright 2020, Wiley-VCH.

Fig.3 Different models interpreting SEI forming(A) Mosaic model[32]; (B) two-layer/two-mechanism diffusion model[33]; (C) the open-circuit energy picture for an aqueous electrolyte[34].(A) Copyright 2015, American Chemical Society;(B) Copyright 2012, American Chemical Society;(C) Copyright 2010, American Chemical Society.

Fig.4 Li metal protected by surface modificationnote：The process of dual-layered film forming(A1), morphology image(A2) and the SEM image of guiding Li deposition homogeneously in FEC-LiPF6 with insert optical photograph(A3)[43]; the mechanism of Li ion intercalation and deposition in metal chloride perovskite(B1), Li electrodeposited morphology(B2) with insert SEM picture of the top surface and corresponding energy dispersive X-ray spectroscopy(EDX) mappings to convey the scattering of Sn and Cl on the surface followed by Li deposited[45].(A1—A3) Copyright 2018, Wiley-VCH; (B1, B2) Copyright 2020, Springer Nature.

Fig.5 Converting Li metal into Li alloy anodenote：(A1―A6) During cyclic processes, the changing for Li foil(A1) and Li-Mg alloy(A2) anodes with corresponding optical photographs (A3—A6)[46]; (B1―B3) the reactivity of Al anode in cell(B1) and SEM cross-section photograph(B2) representing Al4N-AR(purity 99.99%, as-rolled Al) foil structure changing after lithiation, as for expressing the cycle performance of LiCoO2|Al battery with insert SEM image showing Al anode morphology after 120 cycles(B3)[51].(A1—A6) Copyright 2019, Wiley-VCH; (B1—B3) Copyright 2020, Springer Nature.

Fig.6 Constructing 3D Li anodenote：(A1—A3) The preparation process for three-dimensional porous Cu foil(A1) and different electrochemical deposition behaviors of Li on planar current collector(A2) and three-dimensional current collector(A3)[40]; (B1—B3) the porous Cu current collector(B1), and a simulation result of current density distribution on the surface of Cu-5-50-12(B2) with SEM image(B3)[55]; (C1, C2)the procedure of three-dimensional porous Li/CuZn composite anode(C1) with corresponding SEM pictures for Li stripping and plating(C2)[21].(A1—A3) Copyright 2015, Springer Nature; (B1—B3) Copyright 2017, Wiley-VCH; (C1, C2) Copyright 2020, American Chemical Society.

Fig.7 Action of liquid electrolyte to LMBsnote：Schematic diagram of high-concentration ether acting on LMBs(A1) and cycling performance for Li|NMC333 battery with LiFSI-1.4DME electrolyte under 4.3V(A2)[66]; the LiDFOB compound(B1) as a capping agent to LiF(B2), comparing the difference between SEI produced by LiDFOB(B3) and LiBF4+LiBOB(B4) with respective diffusion fields(B5 corresponds to B3, B6 corresponds to B4)[74]; schematic illustration of different molecular structure, LUMO, Ab initio molecular dynamics model for EC, FEC and DEC respectively[81].(A1, A2) Copyright 2019, American Chemical Society; (B1—B6) Copyright 2018, Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2017, Wiley-VCH.

Fig.8 Solid state electrolyte as another method guarding LMBsnote：Schematic illustration of SPEI and PEI formations respectively with partial enlarged drawing described Li ion moving between Li6PS5Cl and SPE(A1), and a Nyquist plot for LMBs(A2)[88]; the procedure of GPE synthesizing(B1) and the Li anode changing in 3D-GPE during cycles(B2)[97]; molten Li wetting the surface of ISEs modified by ZnO(C1) with corresponding cross-section SEM image(C2) and optical photographs(C3, C4) after Li diffusing[101].(A1, A2) Copyright 2019, American Chemical Society; (B1, B2) Copyright 2017, Wiley-VCH; (C1~C4) Copyright 2017, American Chemical Society.

Fig.9 Realizing the self?repair of Li anode during cyclesnote：(A1, A2) The illustration of Li deposition process based on self-healing electrostatic shield mechanism[102]; self-regulated LiRAP SEI layer in 1st cycle(B1) with SEM image(B2), 100th cycle(B3) with SEM image(B4) and a cycling profile in Li|S full cell(B5) with corresponding SEM picture(B6) for LiRAP/Li/Cu after 200 cycles[22].(A1, A2) Copyright 2013, American Chemical Society; (B1—B6) Copyright 2020, American Chemical Society.

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